원심력과 구동 토크를 이용한 패시브 변형 바퀴 메커니즘의 설계 및 해석 = stract Design and Analysis of a Passive Morphing Wheel Mechanism Using Centrifugal Force and Driving Torque

국문 초록 (Abstract)

모바일 로봇이 탐사·정찰·재난 대응과 같은 복잡하고 불규칙한 비정형 지형에서 운용되기 위해서는, 평지 고속 주행과 장애물 극복, 협소 공간 통과와 같은 상반된 요구 성능을 동시에 만족하는 주행 메커니즘이 필요하다. 바퀴 구동은 높은 에너지 효율과 빠른 이동 속도를 제공하지만, 고정 반경은 주행 성능을 근본적으로 제한한다. 큰 반경의 바퀴는 단차·바닥 틈 극복과 고속 주행에 유리한 반면, 협소 공간 접근성과 추진력 측면에서 불리하며, 작은 반경의 바퀴는 그 반대 특성을 갖는다. 이러한 상충 요구를 해결하기 위해 다양한 변형 바퀴 구조가 제안되어 왔으나, 추가 구동기 기반 변형은 시스템 복잡도를 증가시키고, 환경 트리거 기반 수동 변형은 동작 조건이 제한되거나 예측 가능성이 낮다는 한계를 지닌다.
본 논문은 별도의 변형 구동기 없이 단일 구동 모터 입력만으로 바퀴 반경을 접힘–전개 두 상태로 패시브하게 전환하는 반경 변형 바퀴를 제안한다. 제안된 바퀴는 호버만 메커니즘 기반 원형 링크 구조를 채택하여 단일 자유도(1-DOF)의 반경 전개 경로를 제공하며, 원심력 및 토크 유도 효과가 변형 방향으로 효과적으로 투영되도록 설계되었다. 바퀴의 변형 개시 조건은 원심력, 본체 하중, 토크 기반 링크 작동력, 조인트 마찰력 간의 정적 힘 평형 임계값으로 정식화되며, 이를 통해 전개 임계 회전속도(RPM)를 구동 토크와 질량 분포의 함수로 예측한다. 또한 질량 분포를 적절히 설계함으로써 저속에서도 전개가 가능함을 해석적으로 보이며, 이는 기존 원심력 기반 변형 바퀴의 주요 한계를 완화한다.
제안 메커니즘의 타당성을 검증하기 위해 서로 다른 질량 구성을 갖는 두 종류의 바퀴를 제작하고, 전진/후진 방향 및 다양한 토크 조건에서 전개 임계 RPM을 계측하여 이론 예측과 비교하였다. 실험 결과는 예측된 임계값과의 정합성을 보였으며, 전·후진 구동에서 안정적인 전개 및 접힘 동작이 확인되었다. 더불어 턱, 바닥 틈새, 경사로, 낮은 천장, 실제 야외 지형(포장도로, 잔디, 모래, 자갈·돌)에서의 주행 실험을 통해 실제 환경에서 사용 가능성을 확인하였다. 이러한 결과는 호버만 메커니즘 기반 패시브 반경 변형 바퀴가 구조적 단순성과 에너지 효율성을 유지하면서도 지형 적응성과 동작 예측 가능성을 동시에 확장할 수 있는 유효한 대안임을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To operate in complex and unstructured environments such as exploration, reconnaissance, and disaster response, mobile robots must satisfy conflicting locomotion requirements, including high-speed traversal on flat terrain, obstacle negotiation, and passage through confined spaces. Wheeled locomotion offers high energy efficiency and fast mobility; however, a fixed wheel radius fundamentally limits adaptability. Large-radius wheels are advantageous for overcoming steps and gaps and for high-speed locomotion, but they are disadvantageous in terms of accessibility in confined spaces and available traction. In contrast, small-radius wheels exhibit opposite characteristics. To address these conflicting requirements, various morphing wheel mechanisms have been proposed; however, actuator-driven morphing increases system complexity, while environment-triggered passive morphing suffers from limited operating conditions and low predictability.
This paper proposes a passive radial-morphing wheel that enables bidirectional switching between folded and expanded states using a single driving motor, without dedicated morphing actuators. The proposed wheel adopts a Hoberman-based circular linkage, providing a single-degree-of-freedom (1-DOF) radial expansion path in which centrifugal and torque-induced effects are effectively projected onto the morphing direction. The onset of morphing is formulated as a static force-balance threshold among centrifugal force, body load, torque-induced linkage actuation, and joint friction. Based on this formulation, the critical rotational speed (RPM) for expansion is predicted as a function of driving torque and mass distribution. Furthermore, the analysis shows that appropriate mass distribution enables lowspeed expansion, alleviating a key limitation of conventional centrifugal-based morphing wheels.
To validate the proposed mechanism, two wheel prototypes with different mass configurations are fabricated and evaluated under various torque conditions in both forward and reverse driving. The experimental results show good agreement with the predicted critical RPMs and demonstrate stable expansion and folding behavior in both driving directions. In addition, locomotion experiments over steps, floor gaps, slopes, low ceilings, and real outdoor terrains—including paved roads, grass, sand, and gravel—confirm the practical applicability of the proposed wheel in real-world environments. These results indicate that the proposed Hoberman-based passive radial-morphing wheel is an effective solution for significantly enhancing terrain adaptability while maintaining structural simplicity and energy efficiency.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 패시브 변형 바퀴의 기구학적 설계 6
• 2.1 호버만 메커니즘 작동 원리 6
• 2.2 바퀴 구조로의 적용 및 설계 9
• Ⅲ. 역학 모델링 및 해석 15
• 3.1 시스템 모델링 15
• 3.1.1 원심력 Fc: 전개 방향 힘 16
• 3.1.2 본체 하중 Fb: 접힘 방향 힘 17
• 3.1.3 토크 기반 링크 작동력 Ft: 회전 방향 의존 18
• 3.1.4 조인트 마찰력 Ff: 변형 저항 힘 22
• 3.2 전개 및 접힘 변형 조건 23
• 3.2.1 전개 조건 23
• 3.2.2 접힘 조건 25
• 3.2.3 구동 토크에 따른 전개 임계 RPM 변화 27
• 3.2.4 질량 분배에 따른 전개 임계 RPM 변화 29
• Ⅳ. 프로토타입 제작 및 실험 31
• 4.1 변형 바퀴 프로토타입 상세 설계 31
• 4.2 실험 장치 및 계측 방법 37
• Ⅴ. 실험 결과 및 분석 40
• 5.1 전개 임계 RPM 실험 40
• 5.2 접힘 및 전개 유지 특성 실험 46
• 5.3 장애물 극복 테스트 50
• Ⅵ. 결론 55
• 참고문헌 56
• Abstract 59